DE3314879A1 - Verfahren zum herstellen von stabilen, niederohmigen kontakten in integrierten halbleiterschaltungen - Google Patents
Verfahren zum herstellen von stabilen, niederohmigen kontakten in integrierten halbleiterschaltungenInfo
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Description
■ - ψ-
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen
Berlin und München VPA 83 P T 2 9 6 DE
Verfahren zum Herstellen von stabilen, niederohmigen Kontakten in integrierten Halbleiterschaltunqen.
Die Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von stabilen, niederohmigen Kontakten in integrierten
Halbleiterschaltungen mit einem aus Silizium bestehenden Substrat, in dem und auf dem die die Schaltung bildenden
Elemente erzeugt sind und mit einer aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden äußeren Kontaktleiterbahnebene
r welche unter Verwendung einer Metallsilizidzwischenschicht
mit den diffundierten Siliziumbereichen der Schaltung verbunden ist.
In heutigen VLSI-Schaltungen, die durch minimale Strukturen
um 2 μπι gekennzeichnet sind, werden die Kontakte zwischen den Aluminium-Leiterbahnen und den darunter befindlichen
einkristallinen oder polykristallinen Siliziumbereichen im allgemeinen dadurch realisiert, daß in eine
isolierende Schicht, zum Beispiel eine ca. 1 μΐη dicke
SiOp-Schicht Kontaktlöcher geätzt werden. Dann wird das Leitbahnmuster, meist bestehend aus Aluminium mit geringfügigen
Zusätzen von Silizium und Kupfer, ausgebildet, sodaß im Kontaktloch ein direkter Kontakt zwischen dem
Metall und dem dotierten Silizium entsteht.
Mit fortschreitender Verkleinerung der lateralen Strukturabmessungen
wird in der Regel auch die Eindringtiefe der zu kontaktierenden dotierten Siliziumbereiche geringer.
Sie beträgt bei MOS-Schaltungen mit 1 μΐη-Strukturen ca.
0,2 μπι. Andererseits besteht die Tendenz, die Dicke der
Isolationsschicht und damit die Tiefe der Kontaktlöcher
Edt 1 Plr/12.4.1983
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- ί - VPA 83 P 1296 OE
nicht oder nur geringfügig zu verringern, um parasitäre
Kapazitäten möglichst klein zu halten. Für MOS-Schaltungen
mit Kontaktlochgrößen von 1 pjn Kann zum Beispiel eine
Isolationsschichtdicke von 1 |im wünschenswert sein.
Bedingt durch diese Verhältnisse bei verkleinerten Schaltungen (kleine Eindringtiefe, kleine Kontaktlochfläche,
tiefe Kontaktlöcher) ergeben sich bei Anwendung des aus dem Stand der Technik bekannten Aluminiumkontaktes eine
Reihe von Problemen, die für das Beispiel einer n-Kanal-PlOS-Schaltung
im folgenden aufgelistet sind:
1. Der Schichtwiderstand der diffundierten Bereiche steigt
wegen der kleineren Eindringtiefe an und verschlechtert
zum Beispiel die Steilheit der MOS-Transistoren.
2. Bei überschüssigem Silizium im Aluminium kann es zu Siliziumausscheidungen in den Kontaktlöchern kommen.
Diese Ausscheidungen haben einen erhöhten Kontaktwiderstand zur Folge, wenn die Abmessungen der Kontaktlöcher
so klein werden, daß sie in die Größenordnung der ausgeschiedenen Siliziumkristallite kommen oder
wenn die Ausscheidungen epitaktisch im ganzen Kontaktloch aufwachsen (bei nachfolgenden Wärmebehandlungen).
3· Bei zu geringem Siliziumgehalt im Aluminium kommt es
zu Aluminium-Silizium-Reaktionen im Kontaktloch. Reicht die Reaktionszone auch nur lokal bis zur Eindringtiefe
des diffundierten Gebietes, so wird hier der pn-Übergang kurzgeschlossen. Bei kleinen Eindringtiefen verschärft
sich dieses Problem.
4. Der elektrische Strom fließt im Kontaktloch nicht mit homogener Stromdichte vom Aluminium in den diffundierten
Bereich. Vielmehr kommt es am Kontaktlochrand zu einer Stromzusammendrängungn, die bei kleinerer Eindringtiefe
des diffundierten Bereiches größer wird.
" . - - - : ■-.;.. 33U879
- 3 - VPA 33 P ! 2 3 6 OE
Die lokal erhöhte Stromdichte kann zu einer Materialwanderung (Elektromigration) und starker lokaler
Erwärmung im Kontaktlochbereich (Zuverlässigkeit) führen.
5. Bei Schaltungen mit Strukturen im Bereich von 1 μΐΐι
müssen die Aluminium-Leitbahnen mit anisotropen Ätzverfahren geätzt werden, um die ünterätzung unter die
Lackmaske möglichst gering zu halten. Die heute bekannten anisotropen Ätzverfahren für Aluminium (Plasmaätzen,
reaktives Ionenätzen, reaktives Ionenstrahlätzen) haben die Eigenschaft, daß auch Silizium geätzt
wird, und zwar mit vergleichbarer Ätzrate, jedenfalls nicht einer um Größenordnungen kleineren Ätzrate. Dies
hat zur Folge, daß an solchen Stellen, wo die Aluminiumschicht über Silizium geätzt wird (zum Beispiel
im Kontaktlochbereich), nach dem vollständigen Abtrag des Aluminiums das darunterliegende Silizium
ebenfalls geringfügig abgetragen wird. Bei geringer Eindringtiefe des diffundierten Bereichs kann dieser
bis zum pn-übergang durchgeätzt werden, wodurch die elektrischen Sperreigenschaften des pn-Übergangs beeinträchtigt
werden. Es ist in den Schaltungen zwar üblich, daß die Aluminium-Leitbahnen die Kontaktlöcher
vollständig bedecken, so daß der geschilderte Fall des Durchätzens eines diffundierten Bereiches eigentlich
nicht eintreten kann, aber ein einziger sonst unbedeutender Maskenfehler oder ein etwas zu großer Justierfehler
beim Justieren der Aluminiummaske kann zu dem geschilderten Effekt und eventuell zum Ausfall der gesamten
Schaltung führen.
6. Da die Kontaktlöcher verkleinerter Schaltungen sehr
kleine laterale Abmessungen (zum Beispiel 1 μΐη χ 1 μΐη)
bei relativ großer Tiefe (zum Beispiel 1 μπι) aufweisen
können, kommt es im Kontaktloch bei der Metallbeschichtung infolge von Abschattungseffekten zu einer stark
- if - VPA 83 P 1 2 9 6 DE
verminderten Metallbelegung im Kontaktloch und an den
steilen Kontaktlochflanken. Dieser Effekt vermindert
die Zuverlässigkeit der Schaltungen. Das Problem i:-. L
noch gravierender, wenn eine Mehrlagenmetallisierung vorgesehen ist, da dann unter Umständen jede der nachfolgenden
Schichten (Metall- und Isolationsschicht) von dem Problem betroffen ist.
Die unter 1. und 3- geschilderten Probleme können durch
eine Silizidschicht auf den diffundierten Gebieten behoben
bzw. gemildert werden, wie beispielsweise aus einem Aufsatz von P. A. Gargini, I. Beinglass aus dem IEDM Digest,
Seiten 54 bis 51 (Dezember 1981) zu entnehmen ist.
Um den unter den Punkten 2., 3., 4. und 6. geschilderten
Problemen zu begegnen, wurde in einem Aufsatz von S. Vaidya im J. Appl. Phys. 39 (11), Seiten 900 bis 902
(Dezember 1981) vorgeschlagen, anstelle der Aluminium-(+ ca. 1 % Silizium)-Metallisierung eine Doppelschicht
aus η -dotiertem Polysilizium und Aluminium zu verwenden.
Das unter Punkt 6. angeschnittene Problem der stark verminderten
Metallbelegung im Kontaktloch kann auch durch Ausbildung schräger Kontaktlochflanken vermindert werden,
wie beispielsweise in einem Aufsatz von R. A. Moline in IEEE Trans. Electron. Dev., ED-20, Seite 804 (1973) bekannt
ist.
Die Erfindung dient zur Lösung der Aufgabe, alle diese
Probleme zu beheben und ein Verfahren anzugeben, mit
dessen Hilfe stabile, niederahmige Kontakte auch bei
VLSI-Schaltungen herstellbar sind.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches durch folgende Merkmale gekennzeichnet
ist:
- / - VPA 83 P 1 2 3 δ DE
a) die für die Kontaktierung vorgesehenen diffundierten
Bereiche der Schaltung werden mit Kontaktlöchern gleicher, den minimalen Abmessungen der Schaltungselemente
angepaßter Größe versehen,
b) gegebenenfalls werden bei größerflächigen diffundierten
Bereichen mehrere solcher gleich großer Kontaktlöcher eingebracht,
c) die diffundierten Bereiche im Kontaktlochbereich werden mit einer Metallsilizidschicht oder mit einer
Metall/Metallsilizid-Doppelschicht bedeckt und
d) als äußere Kontaktleiterbahnebene werden Doppelschichten aus n+-dotiertem Polysilizium und Aluminium verwendet
.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im folgenden wird anhand der in der Zeichnung befindlichen Figur der Schichtaufbau des Kontaktes in einem Kon
taktloch im Schnittbild noch näher erläutert. Dabei ist mit dem Bezugszeichen 1 das den n+- bzw. p+-dotierten Be-.
reich 2 enthaltende Siliziumsubstrat und mit 3 die das Kontaktloch (siehe Pfeil 4) von der Größe 1 μια χ 1 μΐΐι ent
haltende SiOp-Schicht bezeichnet. Auf den Kontaktlochbereich (4) des η bzw. ρ -dotierten Bereiches 2 wird nach
bekannten Verfahren eine Silizidschicht, zum Beispiel eine Platinsilizidschicht 5 in einer Schichtdicke von 50
bis 100 nm niedergeschlagen und darauf mittels einer Miederdruckgasphasenabscheidung
η dotiertes Polysilizium 6 aufgebracht. Wichtig ist, daß das Kontaktloch 4 fast voll
ständig mit Polysilizium 6 gefüllt ist, so daß eine fast ebene Oberfläche entsteht. Die Dicke der Polysiliziuntschicht
6a wird über der SiO-^-Schicht 3 auf etwa die halbe Kontaktlochkantenlänge eingestellt, das sind im Aus-
\. V: . - 33H879
- Q-
■
-Β - VPA 33 P 1 2 3 6 OE
führungsbeispiel etwa 0,4 bis 0,5 μπι. Abschließend wird
eine Aluminium-Schicht 7 in einer Schichtdicke von ca. μιΐι aufgedampft. Nach Aufbringen einer Fotolackmaske
wird das Leiterbahnmuster durch Ätzen der Doppelschicht (1 μπι Al, 0,4 bis 0,5 μπι Polysilizium) definiert.
Die eingangs aufgeführten Probleme 1 bis β werden durch
die Erfindung wie folgt behoben:
Problem 1 : Durch die Metallsilizidschicht 5.
Problem 2: Durch die Polysiliziumschicht 6 unter der Aluminiumschicht
7-
Problem 3: Durch die Metallsilizidschicht 5 und durch die
Polysiliziumschicht 6 unter der Aluminiumschicht
7.
Problem 4: Oberhalb und unterhalb der Polysiliziuraschicht 6 befinden sich im Kontaktlochbereich
(4) Schichten, die eine wesentlich höhere Leitfähigkeit haben als das n+-dotierte
Polysiliziuffl 6. Aus energetischen Gründen ergibt sich in diesem Fall eine nahezu homogene
Stromdichte-Verteilung im Kontaktloch 4. Für das ob'en angenommene Beispiel eines 1 μπι tiefen
Kontaktlochs mit 1 μΐη Fläche beträgt der Widerstand für den vertikalen Stromfluß im
Kontaktloch ca. 10 0hm bei einem angenommenen spezifischen Widerstand des Polysiliziums von
10 Ohm cm.
Problem 5: Bei der Ätzung der Polysilizium-Aluminium-Doppelschicht
6, 7 ist auch bei einer nicht vollständigen Bedeckung des Kontaktlochs 4
durch die Ätzmaske nicht mit einem Durchätzen bis zur Silizidschicht 5 zu rechnen, weil das
-pf- VPA 83 P 1 2 9 5 DE
Polysilizium 6 im Kontaktloch 4 wesentlich dicker ist als die durchzuätzende Polysiliziunischicht
6a. Bei einem lokalen Maskenfehler oder einer größeren Masken-Fehl justierung sind
keine katastrophalen Folgen zu erwarten,
selbst wenn diese Fehler nahezu die Größe der Kontaktlochabmessung aufweisen. Lediglich der
Kontaktlochwiderstand wird etwas höher.
Problem 6: Dieses Problem wird behoben durch die nahezu
planare Oberfläche im Kontaktlochbereich 4.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur für n-Kanal-MOS-Schaltungen,
die hier meist beispielhaft erwähnt wurden, sondern im Prinzip auch für CMOS- und Bipolarschaltungen
geeignet, bei denen sowohl n- als auch p-dotierte Gebiete kontaktiert werden müssen.
Besteht die Isolationsschicht (im Ausführungsbeispiel SiO-) aus einem Material, das eine geringere Temperaturstabilität
aufweist, zum Beispiel aus Polyamid, das eine maximale Temperatur von ca. 400°C verträgt, so ist das
Verfahren auch anwendbar, wenn sowohl die Polysiliziumbeschichtung (6) als auch die Aktivierung des Dotierstoffes
im Polysilizium (Phosphor oder Arsen) bei Temperaturen unter 400°C erfolgen, bzw. die Isolationsschicht
nicht beeinträchtigen. Zum Beispiel kann dies durch eine Plasmaabscheidung des Polysiliziums und eine
Laserstrahl- oder Elektronenstrahl-Aktivierung des Dotierstoffes realisiert werden.
Das Verfahren ist auch anwendbar für Kontaktlöcher bei einer Mehrlagenmetallisierung, bei der Kontakte zwischen
Aluminiumleitbahnen aus einer ersten und einer zweiten Metallisierungsebene realisiert werden müssen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorge-
,: ..'":■-..■ ν ■ ■. : 33U879
- 44-
-έ- VPA 83 P ' 2 9 5 OE
sehen, das bekannte Verfahren zur Einebnung von Schichten wie in einem Aufsatz von Adams und Capio im J. Electrochem.
Soc. 128, No. 2 (1981) auf den Seiten 423 bis beschrieben, auf die Polysiliziumschicht (6) anzuwenden
(vor der Aluminiumbeschichtung (7)). Das Polysilizium
wird bei diesem Vorgehen ganzflächig in einer Dicke abgetragen, die etwas größer ist als die auf ebenen Teilen
der Oberfläche abgeschiedene Polysiliziumschicht. Nach dem Schichtabtrag verbleibt dann das Polysilizium (6) nur
in den Kontaktlöchern (4), die fast vollständig mit Polysilizium gefüllt sind. Dadurch liegt auf den SiCL-Bereichen
keine Doppelschicht mehr vor, was für spezielle Ätzprobleme von Bedeutung ist.
10 Patentansprüche 1 Figur
- Leerseite -
Claims (10)
- ' ■ :- :·-: 33U879- VPA 83 P 1 2 9 6 DEPatentansprüche1, Verfahren zum Herstellen von stabilen, niederohroigen Kontakten in integrierten Halbleiterschaltungen mit einem aus Silizium bestehenden Substrat (1), in dem und auf dem die die Schaltung bildenden Elemente (2) erzeugt sind und mit einer aus Aluminium oder aus einer Aluminium-Legierung bestehenden äußeren Kontaktleiterbahnebene (7), welche unter Verwendung einer Metallsilizidzwischenschicht (5) mit den diffundierten Siliziumbereichen (2) der Schaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daßa) die für die Kontaktierung vorgesehenen diffundierten Bereiche (2) der Schaltung mit Kontaktlöchern (4) gleicher, den minimalen Abmessungen der Schaltungselemente angepaßter Größe versehen werden,b) gegebenenfalls bei größerflächigen diffundierten Bereichen (2) mehrere solcher gleichgroßer Kontaktlöcher (4) eingebracht werden,c) die diffundierten Bereiche (2) im Kontaktlochbereich (4) mit einer Metallsilizidschicht (5) oder mit einer Metall/Metallsilizid-Doppelschicht (5) bedeckt werden undd) als äußere Kontaktleiterbahnebene Doppelschichten aus η -dotierten Pi
wendet werden.η -dotierten Polysilizium (6) und Aluminium (7) ver- - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der η -dotierten Polysiliziumschicht (6a) über dem Kontaktloch (4) so eingestellt wird, daß sie etwa der halben Kontaktlochkantenlänge entspricht.\'::-':-l i- ν ■':":. "': 33U879'"*."" _ vT-^vpa 33 P 129 5 DE
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Metallsilizid (5) Platin-Silizid verwendet wird.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch g e kennzeichnet, daß zwischen der Metallsilizidschicht (5) und dem η -dotierten Polysilizium (6) eineaus Chrom-Chromoxid (CrCr 0 )-bestehende Barriereschicht \ χ yin einer Schichtdicke im Bereich von 150 nm erzeugt wird.
- 5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumschicht (7) einen Anteil von 1 bis 2 % Silizium enthält.
- 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Aluminiumschicht (7) bis zu 6 % Kupfer zugesetzt werden.
- 7· Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch g e kennzeichnet, daß die Abscheidung des n+-dotierten Polysiliziums (6) so geführt wird, daß die Abscheiderate auf horizontalen und vertikalen Teilen des Substrats (1, 2, 3, 5) gleich hoch ist.
- 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das n+-dotierte Polysilizium (6) durch eine Niederdruck-Gasphasenabscheidung, durch eine plasma-induzierte Gasphasenabscheidung oder durch eine fotochemisch-induzierte Gasphasenabscheidung niedergeschlagen wird.
- 9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß vor der Abscheidung der Aluminiumschicht (7) die η -dotierte Polysiliziumschicht (6) ganzflächig so weit abgetragen wird, daß nur das Kontaktloch (4) mit Polysilizium (6) gefüllt bleibt.33U879-3- - vi - VPA 83 P t 2 9 6 DE
- 10. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9 zur Herstellung von MOS- und Bipolar-Schaltungen in VLSI-Technologie. 5
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